“新工科”背景下高等教育機械類專業課程教學方法探討

汪振華 袁軍堂 喬莉

摘? 要：隨著科技的進步和經濟的發展，社會對新型工程技術人才的需求日益加大，這就需要我國高等學校改變傳統的工科培養目標和方式，以適應社會對新型工科人才的需求。文章以機械類專業課程教學過程為出發點，從教學目標、課程內容、教學模式、課堂教學規模、課堂教學方式、教學互動、課程項目教學和考核方式等方面對高等教育機械類課程教學進行了分析，以期對我國的高等教育發展與改革提供借鑒。

關鍵詞：新工科;機械類專業;課程教學

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）14-0100-04

Abstract： Due to the development of technology and economy， society needs more new engineering and technical personnel. In order to meet the social demand for new engineering and technical personnel， the colleges and universities must be required to change the traditional training objectives and manner. Based on the teaching process of mechanical courses， this paper analyzes the teaching of mechanical courses in higher education from the aspects of teaching objectives， course content， teaching mode， classroom teaching scale， classroom teaching mode， teaching interaction， course project teaching and assessment mode， so as to provide reference for the development and reform of higher education in China.

Keywords： new engineering and technical disciplines; mechanical major; course teaching

目前，我國正經歷從制造大國到制造強國的跨越式發展過程，其中加快工程教育改革從而培養面向產業界、面向世界、面向未來并能夠主動承擔起應對挑戰、造福人類、塑造未來的新型德才兼備創新工程人才是使我國能夠成為制造強國的關鍵和基礎[1]。為了培養創新型工程技術人才，2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，并發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》和《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》，探索形成工程教育的中國模式、中國經驗[2]。針對新工科建設提出了“三個階段、三個任務、三個突破”的行動方案，其中“教與學”是三個關鍵任務之一，要求重塑培養質量觀、重構知識體系以及創新教學方法[1]。在新工科人才培養體系中課程教學是落實培養目標的重要手段之一，因此本文以機械工程專業為例，探討新工科背景下高等教育機械類專業課程教學方法對提高人才培養質量具有十分重要的意義。

工科作為高等教育的一個重要分支，以為社會培養高級工程技術人才為教育目標，在推動國民經濟的發展及社會的進步方面起著至關重要的作用。目前，隨著科技的進步和經濟的發展，社會對新型工程技術人才的需求日益加大，這就需求我國高校改變傳統的工科培養目標和方式，以適應社會對新型工科人才的需求[3]。我國現代高等教育事業起步晚，發展相對落后，教育資源相對缺乏。但是隨著經濟的發展和生活水平的提高，人們對高等教育的需求日益增大。因此，如何進行有效的課程教學，特別是針對具有實踐性強的工科課程教學是擺在高校教師面前的一個重要課題。

課程教學是教師教學而學生學習、消化吸收及應用的過程，具體包括教學目標、課程內容、教學方式、考核方式以及教學反饋與提高等內容。本文以機械類專業課程教學為例，從以上各方面分析現存的問題并探討其改進方案，以期為我國培養能實現“兩個一百年”奮斗目標的德學兼修、德才兼備的高素質工程人才。

一、機械類專業課程教學目標與課程內容

（一）教學目標

“新工科”的目的是為了培養能夠適應、甚至引領未來工程需求的創新型卓越工程技術人才[4]，學生除了達到工程教育規定的12條畢業要求，還必須具有時代使命感和價值感、大工程觀的空間感、創新性思維、知識體系的關聯運用與再創造等能力。課程教學作為實現人才培養目標的重要抓手和著力點，要緊緊圍繞人才培養目標設置課程的教學目標。以機械工程專業基礎課程《機械制造技術基礎》為例，融入了新工科人才培養目標后對課程教學目標修訂如下：（1）培養學生時代使命感和

價值感：使學生充分了解為了實現“兩個一百年”奮斗目標、從制造大國到制造強國轉變及“中國制造2025”目標，機械制造業的重要作用，培養學生投身機械制造業的熱情和使命感;（2）培養學生機械制造基本技術素養：通過切削加工的基本理論、金屬切削機床和加工方法、機械加工工藝規程制定和典型零件加工的學習，在理論教學的基礎上，配合實驗和后續生產實習、課程設計等相關實踐性環節的綜合訓練，使學生掌握切削加工的基本概念、基本知識，具備加工方法和切削要素的選擇、典型零件工藝規程制訂的初步能力;（3）培養學生綜合運

用知識與創新能力：通過設置工程案例教學及課程綜合實踐作業，培養學生能夠全面系統地解決制造過程中的問題并提出創新性解決方案的能力。

（二）課程內容

課程內容是實現課程教學目標的基本媒介，也是課程教學的基礎。為了培養新工科背景下卓越機械工程技術人才，課程內容要包括課程思政、基礎理論和知識體系及創新性思維培養等內容。以《機械制造技術基礎》為例，淺析圍繞課程目標的課程內容設置：

1. 將課程思政內容融入到教學內容中，通過講授中國機械制造業艱苦奮斗的發展歷程和目前面臨的困難、機遇及成就，并通過觀看《大國工匠》《輝煌中國》《大國重器》等記錄片，并把“中國制造2025”及智能制造的理念融入到課程內容中，從而培養學生的家國情懷和使命感，使學生成為實現“兩個一百年”奮斗目標的人才基石及合格的社會主義接班人。

2. 機械制造技術基礎理論和知識包括金屬切削原理、切削刀具、加工機床及加工方法、機械加工工藝規程、機床夾具設計、機械加工表面質量及機器裝配工藝等方面，涵蓋了一個產品機械加工所涉及的全過程主要知識點。在很長一段時間我國工科類課程教學培養體系沿襲蘇聯專業培養模式，力求培養某一學科和領域的專業技術人才，設置了大量專業課程，造成了學生課后或自主創造性學習時間大大減小。近年來，我國高校也在專業建設方面進行了大量改革，將原來的小學科、小專業整合成大學科、大專業進行培養，以期將學生培養成大學科廣泛了解而小專業精專的新型復合型工程技術人才。機械工程專業對專業課進行了梳理，將金屬切削原理和刀具、金屬切削機床、機械制造工藝及機床夾具設計等原專業課程合并成機械制造技術基礎課程，大大縮短了課堂教學環節，增加學生自主學習能力。

3. 《機械制造技術基礎》是一門基礎理論與實踐相結合的課程，在課程教學中要融入實踐教學案例，如軸類零件和箱體類零件加工，將刀具、機床和夾具等選擇與設計結合起來，選擇合理的加工工藝過程與具體的各類型參數。在先進制造技術方面融入智能制造、綠色制造和增材制造等基本原理和理念，在教學方式上融入有限元分析、虛擬制造仿真等技術分析切削加工過程及虛擬化設計夾具，培養學生運用知識及創新性思維。

二、機械類專業課程教學組織形式

（一）教學模式

傳統的以課堂教學為主的教學模式已經無法滿足新工科創新人才培養的要求，主要體現在新知識點增加及課堂教學學時有限。因此，要進行教學模式的改革。目前，最適合的方式是充分利用互聯網的優勢做到線上教學和課堂教學的深度融合。教師將學習的相關課程資料和錄制的課程講授視頻上傳到在線教育平臺，如學習通。學生通過教學平臺先行預習或學習。教師也可以通過在線教學平臺發布作業和進行隨機考試，以了解學生掌握知識的情況。同時，在課堂教學上主要講授難點、重點和新知識，并且使得課堂教學以學生討論為主，引導學生進行獨立思考，重點培養學生解決問題的創新性思維。

（二）課堂教學規模

課堂教學規模的大小直接影響教師的課堂教學方法、教學效果。我國由于教育資源的缺乏，再加上適應社會發展對高素質技術人才的需求而進行的高校擴招，根據教育部公布的數據顯示2019年全國各類高等教育在學總規模達到4002萬人。學生人數的增加使課程班級容量不斷擴大，由90年代的30～40人發展到現在的50～200人，特別是一些全校或全院的基礎課程，班級人數基本上在100人以上，在課堂上學生很難與教師進行互動，課程結束后教師也記不清誰是自己班的學生，教學質量不能保證。筆者2019年9月到新西蘭奧克蘭大學訪學期間多次參加相關本科課堂學習，所有的課程均實現小班教學，學生規模基本控制在30～40人，這給教師與學生的大量互動提供了可能。以筆者隨堂聽課的機械設計課程為例，在南京理工大學每個班級的學生基本上都在120人左右，由于人數太多課堂上基本上沒有學生提問和互動環節，有的教師會在課堂中設計一些提問環節以確定學生是否掌握了知識，至于分小組的課程項目設計更是沒有辦法開展。因此，為了適應新工科人才培養要求，建議在課堂教學上實行小班化，課堂學生規模控制在40人左右，使學生能夠充分地和老師進行交流，對于課程項目學生能夠充分進行闡述說明。另外，對于教室及其布置上也要適應小班化需求，教室不用太大，使教師很容易就走到學生中間與學生進行互動交流，在空間上就和學生產生了一種親近感，能顯著提高學生學習注意力，提高學習效率。

（三）課堂教學方式

教師的課堂講解對于工科類課程來說是課堂教學的主體部分。在中國大學傳統課堂教學中特別強調其中的基本概念，教師希望通過系統的講解使學生能夠清晰完整地接受知識，教師需要根據教學大綱所規定的教材中每一個章節、每一個概念及每一個知識點進行講授。另外，傳統的課堂教學必須嚴格按照教學規范來執行，包括講什么、怎么講、多媒體的使用、板書的規定等。這種嚴格的教學規范雖然在一定程度上能保證教學質量，但同時扼殺了創造性教學方法的開展，阻礙了教師根據教學反映和效果適時地調整課堂教學過程，也影響了課堂上積極的教學互動。同時，嚴格的教學規范必然導致課堂只有教師是主體而缺乏師生共融的學習現象，最終結果就是在課堂上只有教師在講臺講，而下面坐著一群昏昏欲睡的學生。

因此，為了提高學生的創新性，教學方式也要改變。首先，采用翻轉課堂模式，充分利用現在互聯網的優勢，將一些基本知識、概念及一般性的問題錄制成視頻教學通過學習通在線教育系統讓學生學習。這樣在課堂講解時，一般性的內容就可以做到少講或不講，重點講授那些學生疑惑的部分，而把更多的內容留給學生自學。在教學過程中使學生成為主角，課堂提供學生僅僅需要幫助的那部分。學生通過線上教學視頻和參考資料的自主學習來掌握基礎的系統知識，課堂教學主要用討論和創新思維教學，可以說整個學習過程強調學生的主動性，教師在這個過程中只是起到引導的輔助作用。前面翻轉課堂的教學模式是認為學生具有相當的自學能力，并且對需要掌握的知識進行了自學。因此，課堂上所要做的是深化課程知識，幫助學生解決疑惑。

（四）教學互動

有人說教師和學生之間的互動是整個教學的靈魂，直接反映學生的學習狀態，促進學生的主動學習，同時也能夠使教師更好地了解學生的學習程度。教學互動通常包括學生提問教師回答、教師提問學生回答及課堂討論等。在當前的理工科類課程課堂教學上由于學生較多，基本上只剩下教師提問學生回答這一項互動了，教學模式是老師講學生聽。因此，急需加強教學互動，實行小班化教學，在課堂教學過程中學生只要有疑問隨時舉手打斷老師的講解而進行提問。除了提問和回答問題外，教室里聽課學生應保持安靜，保證了老師可以及時聽到學生的問題。在課堂教學過程中教師要始終注意學生的反應，講解時也要向學生提出問題，以判斷學生對講解的理解程度，便于老師及時調整講授方式。另外，教學互動除了課堂教學互動還可以利用互聯網增加線上互動。

（五）課程項目教學

在創新性工程教育過程中，通過課程項目教學環節的設置可以很有效地引導學生進行創新性思維及綜合運用知識的能力，因此在機械類專業課程教學過程中要引入并加強課程項目教學，并且將項目完成情況作為課程考核成績的一部分（約占20%～30%）。當前，以南京理工大學機械工程專業課程為例，進行課程項目教學的還較少，筆者曾在小班教學的時候進行了一定的嘗試，效果較好，但對于大班教學時就存在困難。課程項目組織過程可以由教師在課程學習開始時給出一個總的框架和基本要求，要求學生綜合運用該門課程所學的知識來解決問題，學生在基本要求下可以自由發揮，到課程結束時組織課堂答辯考核，考核成績由教師和其他學生共同給出。以筆者講授的《機械制造技術基礎》課程項目為例，在課程前半程教師將課程項目要求發給學生，以便保證學生有充分的時間，學生可以自由組成小組，每個小組3人。具體的項目設置可以要求學生設計一個階梯軸并對其進行加工工藝規程的制定，具體要求可以設置如下：1. 需要提供階梯軸的設計圖紙，包括加工精度、加工表面質量及材料選擇等;2. 用本課程學習的知識對零件結構和加工要求進行分析，設計裝夾方案;3. 采用有限元方法模擬切削過程，獲得不同刀具結構和切削參數對切削力和切削溫度的影響;4. 制定加工工藝規程;5. 提供所有小組成員項目進行過程中的活動、會議及討論記錄冊;6. 進行項目匯報。在最終考核時，整個匯報過程中要求每個小組成員都參加其中，小組成員輪流講解自己所做的工作，匯報結束后進行提問，所有在場的人都可以自由提問，這充分保證了學生有足夠的時間對自己的工作進行闡述和說明。匯報和提問結束后，匯報小組人員回避，進行評分，評分分成兩部分，一部分由教師進行，一部分由其他小組進行互評。

三、機械類專業課程考核方式

課程考核是課程教學的一個重要環節，它應該是教學目標、教學內容的集中反映。科學的課程考核方法對調動學生的學習積極性，提高學生的綜合素質具有十分重要的作用。高等教育工科類課程考核不僅要重視基礎知識要點的掌握，而且更要突出考核學生的自主學習、知識綜合應用及創新性思維等能力的評價，要從單純檢驗知識的掌握轉向創新能力的關注。我國目前的考核方法比較單一，往往是一考（一張試卷）定成績，忽視了對學生創新和實踐能力的培養，導致了“教為考、學為考”的應試教育現象。隨著教育的發展，人們已經充分認識到僅以考試作為評測學生課程學習情況的依據具有局限性。以南京理工大學《機械制造技術基礎》課程考核為例，該課程考核主要由三部分組成：期末考試成績（70%）、試驗成績（10%）和平時成績（20%），期末考試由學校統一組織，老師集體閱卷，試驗成績由試驗老師根據學生的試驗報告給出，平時成績給出較為機動，但通常包括到課率、課堂表現、課程作業等。實際情況表明該種考核方式不能充分地調動學生學習積極性，大部分學生平時不學習，等到考試前臨時突擊對老師講的考試重點進行復習，學生只是為考試而學并沒有充分地掌握知識，然后考完就忘，更談不上對學生學以致用能力的培養。

因此，課程考核的形式和方法都需要進一步完善和改革，可以增加過程考核比重，將課程考核穿插于整個課程教學過程，更加注重過程考核和知識應用能力考核，即對學生在整個課程學習過程中的學習狀態、知識應用能力的考核。如考核成績可由以下部分構成：考試成績60%（期中成績20%、隨堂考試10%和期末考試30%）、作業15%和課程項目25%。考試分三次進行，期中考試在上課時間進行，試卷和時間由老師決定，隨堂考試在課堂期間進行，有時甚至只有1道題，讓學生在課堂上花20分鐘解答，期終考試統一進行。作業要求學生獨立按時完成，作為課程考核的一個重要部分。課程項目考核是整個課程考核的一個突出點，學生一般分成小組，每個小組獨立設計完成一個任務，成績的評定根據設計任務報告和答辯情況由授課老師和其他小組成員集體給出。

四、結束語

本文以“新工科”背景下培養能夠適應、甚至引領未來工程需求的創新型卓越工程技術人才為出發點，對機械類專業課程教學方法進行了探討，重點分析了教學目標、課程內容、教學模式、課堂教學規模、課堂教學方式、教學互動、課程項目教學和考核方式。主要體現在教學目標和課程內容的設置上要加強課程思政的教學，教學模式上實行線上線下教育深度融合互有側重點，課堂教學規模以小班化為主，在課堂教學方式上注重引導學生進行思考和創新，增加教學互動，通過設置較為復雜的課程項目引導學生綜合運用知識解決問題，考核方式由結果考核向過程考核轉變，改變目前一考定成績的結果考核形式。

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